Hvala vam što ste posjetili nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo korištenje najnovije verzije preglednika (ili isključivanje načina kompatibilnosti u Internet Exploreru). Osim toga, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, ova stranica neće uključivati ​​stilove ili JavaScript.
Pomicanje organa i tkiva može dovesti do pogrešaka u pozicioniranju rendgenskih zraka tijekom radioterapije. Stoga su potrebni materijali s tkivno ekvivalentnim mehaničkim i radiološkim svojstvima kako bi se oponašalo kretanje organa radi optimizacije radioterapije. Međutim, razvoj takvih materijala ostaje izazov. Alginatni hidrogeli imaju svojstva slična onima izvanstanične matrice, što ih čini obećavajućim kao tkivno ekvivalentni materijali. U ovoj studiji, alginatne hidrogelne pjene sa željenim mehaničkim i radiološkim svojstvima sintetizirane su in situ oslobađanjem Ca2+. Omjer zraka i volumena pažljivo je kontroliran kako bi se dobile hidrogelne pjene s definiranim mehaničkim i radiološkim svojstvima. Karakterizirana je makro- i mikromorfologija materijala, a proučavano je ponašanje hidrogelnih pjena pod kompresijom. Radiološka svojstva su teoretski procijenjena i eksperimentalno provjerena pomoću računalne tomografije. Ova studija baca svjetlo na budući razvoj tkivno ekvivalentnih materijala koji se mogu koristiti za optimizaciju doze zračenja i kontrolu kvalitete tijekom radioterapije.
Radioterapija je uobičajen tretman za rak1. Pomicanje organa i tkiva često dovodi do pogrešaka u pozicioniranju rendgenskih zraka tijekom radioterapije2, što može rezultirati nedovoljnim liječenjem tumora i prekomjernim izlaganjem okolnih zdravih stanica nepotrebnom zračenju. Sposobnost predviđanja kretanja organa i tkiva ključna je za minimiziranje pogrešaka u lokalizaciji tumora. Ova studija usredotočila se na pluća, budući da ona prolaze kroz značajne deformacije i pokrete kada pacijenti dišu tijekom radioterapije. Razvijeni su i primijenjeni različiti modeli konačnih elemenata za simulaciju kretanja ljudskih pluća3,4,5. Međutim, ljudski organi i tkiva imaju složenu geometriju i uvelike ovise o pacijentu. Stoga su materijali s tkivno ekvivalentnim svojstvima vrlo korisni za razvoj fizičkih modela za validaciju teorijskih modela, olakšavanje poboljšanog medicinskog liječenja i u svrhu medicinske edukacije.
Razvoj materijala koji oponašaju meko tkivo radi postizanja složenih vanjskih i unutarnjih strukturnih geometrija privukao je mnogo pozornosti jer njihove inherentne mehaničke nedosljednosti mogu dovesti do kvarova u ciljanim primjenama6,7. Modeliranje složene biomehanike plućnog tkiva, koje kombinira ekstremnu mekoću, elastičnost i strukturnu poroznost, predstavlja značajan izazov u razvoju modela koji točno reproduciraju ljudska pluća. Integracija i usklađivanje mehaničkih i radioloških svojstava ključni su za učinkovitu izvedbu modela pluća u terapijskim intervencijama. Aditivna proizvodnja pokazala se učinkovitom u razvoju modela specifičnih za pacijenta, omogućujući brzu izradu prototipova složenih dizajna. Shin i sur.8 razvili su reproducibilan, deformabilan model pluća s 3D printanim dišnim putovima. Haselaar i sur.9 razvili su fantom vrlo sličan stvarnim pacijentima za procjenu kvalitete slike i metode provjere položaja za radioterapiju. Hong i sur.10 razvili su CT model prsnog koša koristeći 3D printanje i tehnologiju lijevanja silikona za reprodukciju CT intenziteta različitih plućnih lezija radi procjene točnosti kvantifikacije. Međutim, ovi prototipovi često su izrađeni od materijala čija se učinkovita svojstva vrlo razlikuju od svojstava plućnog tkiva11.
Trenutno je većina plućnih fantoma izrađena od silikona ili poliuretanske pjene, koji ne odgovaraju mehaničkim i radiološkim svojstvima stvarnog plućnog parenhima.12,13 Alginatni hidrogeli su biokompatibilni i široko se koriste u tkivnom inženjerstvu zbog svojih prilagodljivih mehaničkih svojstava.14 Međutim, reprodukcija ultra-mekane, pjenaste konzistencije potrebne za plućni fantom koji točno oponaša elastičnost i strukturu punjenja plućnog tkiva ostaje eksperimentalni izazov.
U ovoj studiji pretpostavljeno je da je plućno tkivo homogeni elastični materijal. Gustoća ljudskog plućnog tkiva (\(\:\rho\:\)) iznosi 1,06 g/cm3, a gustoća napuhanog pluća 0,26 g/cm315. Širok raspon vrijednosti Youngovog modula (MY) plućnog tkiva dobiven je korištenjem različitih eksperimentalnih metoda. Lai-Fook i sur.16 izmjerili su Youngov modul elastičnosti (YM) ljudskih pluća s jednolikom inflacijom od 0,42–6,72 kPa. Goss i sur.17 koristili su magnetsku rezonantnu elastografiju i izvijestili o YM od 2,17 kPa. Liu i sur.18 izvijestili su o izravno izmjerenom YM od 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi i sur.19 procijenili su YM na 0,1–2,7 kPa na temelju 4D CT podataka dobivenih od odabranih pacijenata.
Za radiološka svojstva pluća koristi se nekoliko parametara za opisivanje interakcijskog ponašanja plućnog tkiva s rendgenskim zrakama, uključujući elementarni sastav, gustoću elektrona (\(\:{rho\:_{e}\)\), efektivni atomski broj (\(\:{Z}_{eff}\)\), srednju energiju pobuđivanja (\(\:I\)\), koeficijent slabljenja mase (\(\:\mu\:/\rho\:\)\) i Hounsfieldovu jedinicu (HU), koja je izravno povezana s \(\:\mu\:/\rho\:\).
Gustoća elektrona \(\:{\rho\:}_{e}\) definirana je kao broj elektrona po jedinici volumena i izračunava se na sljedeći način:
gdje je \(\:\rho\:\) gustoća materijala u g/cm3, \(\:{N}_{A}\) je Avogadrova konstanta, \(\:{w}_{i}\) je maseni udio, \(\:{Z}_{i}\) je atomski broj, a \(\:{A}_{i}\) je atomska masa i-tog elementa.
Atomski broj izravno je povezan s prirodom interakcije zračenja unutar materijala. Za spojeve i smjese koje sadrže nekoliko elemenata (npr. tkanine), efektivni atomski broj \(\:{Z}_{eff}\) mora se izračunati. Formulu su predložili Murthy i suradnici 20:
Prosječna energija pobuđivanja \(\:I\) opisuje koliko lako ciljni materijal apsorbira kinetičku energiju prodirućih čestica. Opisuje samo svojstva ciljnog materijala i nema nikakve veze sa svojstvima čestica. \(\:I\) može se izračunati primjenom Braggovog pravila aditivnosti:
Koeficijent slabljenja mase \(\:\mu\:/\rho\:\) opisuje prodiranje i oslobađanje energije fotona u ciljanom materijalu. Može se izračunati pomoću sljedeće formule:
Gdje je \(\:x\) debljina materijala, \(\:{I}_{0}\) intenzitet upadne svjetlosti, a \(\:I\) intenzitet fotona nakon prodiranja u materijal. Podaci \(\:\mu\:/\rho\:\) mogu se dobiti izravno iz referentne baze podataka standarda NIST 12621. Vrijednosti \(\:\mu\:/\rho\:\) za smjese i spojeve mogu se izvesti pomoću pravila aditivnosti na sljedeći način:
HU je standardizirana bezdimenzijska jedinica mjere radiogustoće u interpretaciji podataka kompjuterizirane tomografije (CT), koja se linearno transformira iz izmjerenog koeficijenta atenuacije \(\:\mu\:\). Definira se kao:
gdje je \(\:{\mu\:}_{voda}\) koeficijent slabljenja vode, a \(\:{\mu\:}_{zrak}\) koeficijent slabljenja zraka. Stoga, iz formule (6) vidimo da je HU vrijednost vode 0, a HU vrijednost zraka -1000. HU vrijednost za ljudska pluća kreće se od -600 do -70022.
Razvijeno je nekoliko materijala ekvivalentnih tkivu. Griffith i sur.23 razvili su model ekvivalenta tkiva ljudskog torza izrađen od poliuretana (PU) kojem su dodane različite koncentracije kalcijevog karbonata (CaCO3) kako bi se simulirali linearni koeficijenti atenuacije različitih ljudskih organa, uključujući ljudska pluća, a model je nazvan Griffith. Taylor24 predstavio je drugi model ekvivalenta plućnog tkiva koji je razvio Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore (LLNL), nazvan LLLL1. Traub i sur.25 razvili su novu zamjenu plućnog tkiva koristeći Foamex XRS-272 koji sadrži 5,25% CaCO3 kao pojačivač performansi, a nazvan je ALT2. Tablice 1 i 2 prikazuju usporedbu \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) i koeficijenata atenuacije mase za ljudska pluća (ICRU-44) i gore navedene modele ekvivalenta tkiva.
Unatoč izvrsnim postignutim radiološkim svojstvima, gotovo svi fantomski materijali izrađeni su od polistirenske pjene, što znači da mehanička svojstva tih materijala ne mogu dosegnuti svojstva ljudskih pluća. Youngov modul (YM) poliuretanske pjene iznosi oko 500 kPa, što je daleko od idealnog u usporedbi s normalnim ljudskim plućima (oko 5-10 kPa). Stoga je potrebno razviti novi materijal koji može zadovoljiti mehaničke i radiološke karakteristike stvarnih ljudskih pluća.
Hidrogeli se široko koriste u tkivnom inženjerstvu. Njihova struktura i svojstva slični su izvanstaničnom matriksu (ECM) i lako se podešavaju. U ovoj studiji, čisti natrijev alginat odabran je kao biomaterijal za pripremu pjena. Alginatni hidrogeli su biokompatibilni i široko se koriste u tkivnom inženjerstvu zbog svojih podesivih mehaničkih svojstava. Elementarni sastav natrijevog alginata (C6H7NaO6)n i prisutnost Ca2+ omogućuju podešavanje njegovih radioloških svojstava prema potrebi. Ova kombinacija podesivih mehaničkih i radioloških svojstava čini alginatne hidrogelove idealnim za našu studiju. Naravno, alginatni hidrogeli također imaju ograničenja, posebno u smislu dugoročne stabilnosti tijekom simuliranih respiratornih ciklusa. Stoga su potrebna daljnja poboljšanja i očekuju se u budućim studijama kako bi se riješila ta ograničenja.
U ovom radu razvili smo pjenasti materijal od alginatnog hidrogela s kontroliranim rho vrijednostima, elastičnošću i radiološkim svojstvima sličnim onima ljudskog plućnog tkiva. Ova studija pružit će opće rješenje za izradu fantoma sličnih tkivu s podesivim elastičnim i radiološkim svojstvima. Svojstva materijala mogu se lako prilagoditi bilo kojem ljudskom tkivu i organu.
Ciljani omjer zraka i volumena hidrogelne pjene izračunat je na temelju HU raspona ljudskih pluća (-600 do -700). Pretpostavljeno je da je pjena jednostavna smjesa zraka i sintetskog alginatnog hidrogela. Korištenjem jednostavnog pravila zbrajanja pojedinačnih elemenata (\:\mu\:/\rho\:\) mogli su se izračunati volumni udio zraka i volumni omjer sintetiziranog alginatnog hidrogela.
Pjene alginatnog hidrogela pripremljene su korištenjem natrijevog alginata (broj dijela W201502), CaCO3 (broj dijela 795445, MW: 100,09) i GDL-a (broj dijela G4750, MW: 178,14) kupljenih od tvrtke Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70%-tni natrijev lauril eter sulfat (SLES 70) kupljen je od tvrtke Renowned Trading LLC. U procesu pripreme pjene korištena je deionizirana voda. Natrijev alginat otopljen je u deioniziranoj vodi na sobnoj temperaturi uz stalno miješanje (600 okretaja u minuti) dok se nije dobila homogena žuta prozirna otopina. CaCO3 u kombinaciji s GDL-om korišten je kao izvor Ca2+ za pokretanje geliranja. SLES 70 korišten je kao surfaktant za stvaranje porozne strukture unutar hidrogela. Koncentracija alginata održavana je na 5%, a molarni omjer Ca2+:-COOH održavan je na 0,18. Molarni omjer CaCO3:GDL također je održavan na 0,5 tijekom pripreme pjene kako bi se održao neutralni pH. Vrijednost je 26,2% volumena SLES 70 dodano je u sve uzorke. Čaša s poklopcem korištena je za kontrolu omjera miješanja otopine i zraka. Ukupni volumen čaše bio je 140 ml. Na temelju teorijskih rezultata izračuna, različiti volumeni smjese (50 ml, 100 ml, 110 ml) dodani su u čašu radi miješanja sa zrakom. Uzorak koji sadrži 50 ml smjese dizajniran je za miješanje s dovoljno zraka, dok je omjer volumena zraka u druga dva uzorka kontroliran. Prvo je SLES 70 dodan u otopinu alginata i miješan električnom mješalicom dok se potpuno ne izmiješa. Zatim je suspenzija CaCO3 dodana u smjesu i kontinuirano miješana dok se smjesa potpuno ne izmiješa, kada joj se boja promijeni u bijelu. Na kraju je u smjesu dodana otopina GDL-a kako bi se pokrenulo želiranje, a mehaničko miješanje održavano je tijekom cijelog procesa. Za uzorak koji je sadržavao 50 ml smjese, mehaničko miješanje je zaustavljeno kada se volumen smjese prestao mijenjati. Za uzorke koji su sadržavali 100 ml i 110 ml smjese, mehaničko miješanje je zaustavljeno kada je smjesa napunila čašu. Također smo pokušali pripremiti hidrogelne pjene volumena između 50 ml i 100 ml. Međutim, uočena je strukturna nestabilnost pjene, jer je fluktuirala između stanja potpunog miješanja zraka i stanja kontrole volumena zraka, što je rezultiralo nedosljednom kontrolom volumena. Ova nestabilnost unijela je nesigurnost u izračune i stoga ovaj raspon volumena nije uključen u ovu studiju.
Gustoća \(\:\rho\:\) hidrogelne pjene izračunava se mjerenjem mase \(\:m\) i volumena \(\:V\) uzorka hidrogelne pjene.
Optičko-mikroskopske slike hidrogelnih pjena dobivene su pomoću Zeiss Axio Observer A1 kamere. Za izračun broja i raspodjele veličine pora u uzorku na određenom području na temelju dobivenih slika korišten je ImageJ softver. Pretpostavlja se da je oblik pora kružan.
Za proučavanje mehaničkih svojstava alginatnih hidrogelnih pjena provedena su jednoosna kompresijska ispitivanja pomoću stroja TESTRESOURCES serije 100. Uzorci su izrezani u pravokutne blokove, a dimenzije blokova su izmjerene kako bi se izračunala naprezanja i deformacije. Brzina poprečne glave postavljena je na 10 mm/min. Za svaki uzorak testirana su tri uzorka, a iz rezultata su izračunate srednja vrijednost i standardna devijacija. Ova studija usredotočila se na kompresijska mehanička svojstva alginatnih hidrogelnih pjena budući da je plućno tkivo izloženo kompresijskim silama u određenoj fazi respiratornog ciklusa. Rastezljivost je, naravno, ključna, posebno kako bi se odrazilo potpuno dinamičko ponašanje plućnog tkiva, a to će se istražiti u budućim studijama.
Pripremljeni uzorci hidrogelne pjene skenirani su na dvokanalnom CT skeneru Siemens SOMATOM Drive. Parametri skeniranja postavljeni su na sljedeći način: 40 mAs, 120 kVp i debljina sloja 1 mm. Dobivene DICOM datoteke analizirane su pomoću softvera MicroDicom DICOM Viewer za analizu HU vrijednosti 5 presjeka svakog uzorka. HU vrijednosti dobivene CT-om uspoređene su s teorijskim izračunima temeljenim na podacima o gustoći uzoraka.
Cilj ove studije je revolucionirati izradu pojedinačnih modela organa i umjetnih bioloških tkiva inženjeringom mekih materijala. Razvoj materijala s mehaničkim i radiološkim svojstvima koja odgovaraju radnoj mehanici ljudskih pluća važan je za ciljane primjene kao što su poboljšanje medicinske obuke, kirurško planiranje i planiranje radioterapije. Na slici 1A prikazali smo razliku između mehaničkih i radioloških svojstava mekih materijala koji se navodno koriste za izradu modela ljudskih pluća. Do danas su razvijeni materijali koji pokazuju željena radiološka svojstva, ali njihova mehanička svojstva ne zadovoljavaju željene zahtjeve. Poliuretanska pjena i guma najčešće su korišteni materijali za izradu deformabilnih modela ljudskih pluća. Mehanička svojstva poliuretanske pjene (Youngov modul, YM) obično su 10 do 100 puta veća od onih normalnog ljudskog plućnog tkiva. Materijali koji pokazuju i željena mehanička i radiološka svojstva još nisu poznati.
(A) Shematski prikaz svojstava različitih mekih materijala i usporedba s ljudskim plućima u smislu gustoće, Youngovog modula i radioloških svojstava (u HU). (B) Rendgenski difrakcijski uzorak alginatnog hidrogela \(\:\mu\:/\rho\:\) s koncentracijom 5% i molarnim omjerom Ca2+:-COOH od 0,18. (C) Raspon omjera volumena zraka u hidrogelnim pjenama. (D) Shematski prikaz alginatnih hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka.
Izračunat je elementarni sastav alginatnih hidrogelova s ​​koncentracijom od 5% i molarnim omjerom Ca2+:-COOH od 0,18, a rezultati su prikazani u Tablici 3. Prema pravilu zbrajanja u prethodnoj formuli (5), koeficijent atenuacije mase alginatnog hidrogela \(\:\:\mu\:/\rho\:\) dobiva se kao što je prikazano na Slici 1B.
Vrijednosti \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​za zrak i vodu dobivene su izravno iz referentne baze podataka standarda NIST 12612. Dakle, slika 1C prikazuje izračunate omjere volumena zraka u hidrogelnim pjenama s HU ekvivalentnim vrijednostima između -600 i -700 za ljudska pluća. Teoretski izračunati omjer volumena zraka stabilan je unutar 60–70% u rasponu energije od 1 × 10−3 do 2 × 101 MeV, što ukazuje na dobar potencijal za primjenu hidrogelne pjene u nizvodnim proizvodnim procesima.
Slika 1D prikazuje pripremljeni uzorak pjene alginatnog hidrogela. Svi uzorci su izrezani na kocke s duljinom ruba 12,7 mm. Rezultati su pokazali da je nastala homogena, trodimenzionalno stabilna pjena hidrogela. Bez obzira na omjer volumena zraka, nisu uočene značajne razlike u izgledu pjena hidrogela. Samoodrživa priroda pjene hidrogela sugerira da je mreža formirana unutar hidrogela dovoljno jaka da podnese težinu same pjene. Osim male količine curenja vode iz pjene, pjena je također pokazala prolaznu stabilnost tijekom nekoliko tjedana.
Mjerenjem mase i volumena uzorka pjene izračunata je gustoća pripremljene hidrogel pjene \(\:\rho\:\), a rezultati su prikazani u Tablici 4. Rezultati pokazuju ovisnost \(\:\rho\:\) o volumnom omjeru zraka. Kada se dovoljna količina zraka pomiješa s 50 ml uzorka, gustoća postaje najniža i iznosi 0,482 g/cm3. Kako se količina pomiješanog zraka smanjuje, gustoća se povećava na 0,685 g/cm3. Maksimalna p-vrijednost između skupina od 50 ml, 100 ml i 110 ml bila je 0,004 < 0,05, što ukazuje na statističku značajnost rezultata.
Teorijska vrijednost \(\:\rho\:\) također se izračunava korištenjem kontroliranog omjera volumena zraka. Izmjereni rezultati pokazuju da je \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³ manji od teorijske vrijednosti. Ova se razlika može objasniti unutarnjim naprezanjem nastalim u hidrogelu tijekom procesa želiranja, što uzrokuje bubrenje i time dovodi do smanjenja \(\:\rho\:\). To je dodatno potvrđeno opažanjem nekih praznina unutar hidrogelne pjene na CT slikama prikazanim na slici 2 (A, B i C).
Slike hidrogelnih pjena s različitim volumenskim sadržajem zraka dobivene optičkom mikroskopijom (A) 50, (B) 100 i (C) 110. Broj stanica i raspodjela veličine pora u uzorcima alginatnih hidrogelnih pjena (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Slika 3 (A, B, C) prikazuje slike uzoraka hidrogel pjene s različitim omjerima volumena zraka dobivene optičkim mikroskopom. Rezultati pokazuju optičku strukturu hidrogel pjene, jasno prikazujući slike pora različitih promjera. Raspodjela broja i promjera pora izračunata je pomoću ImageJ-a. Za svaki uzorak snimljeno je šest slika, svaka slika imala je veličinu 1125,27 μm × 843,96 μm, a ukupna analizirana površina za svaki uzorak bila je 5,7 mm².
(A) Ponašanje tlačnog naprezanja i deformacije alginatnih hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka. (B) Eksponencijalno prilagođavanje. (C) Kompresija E0 hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka. (D) Granično tlačno naprezanje i deformacija alginatnih hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka.
Slika 3 (D, E, F) pokazuje da je raspodjela veličine pora relativno ujednačena, u rasponu od nekoliko desetaka mikrometara do oko 500 mikrometara. Veličina pora je u osnovi ujednačena i lagano se smanjuje sa smanjenjem volumena zraka. Prema podacima ispitivanja, prosječna veličina pora uzorka od 50 ml iznosi 192,16 μm, medijan je 184,51 μm, a broj pora po jedinici površine je 103; prosječna veličina pora uzorka od 100 ml iznosi 156,62 μm, medijan je 151,07 μm, a broj pora po jedinici površine je 109; odgovarajuće vrijednosti uzorka od 110 ml su 163,07 μm, 150,29 μm i 115. Podaci pokazuju da veće pore imaju veći utjecaj na statističke rezultate prosječne veličine pora, a medijan veličine pora može bolje odražavati trend promjene veličine pora. Kako se volumen uzorka povećava od 50 ml do 110 ml, povećava se i broj pora. Kombiniranjem statističkih rezultata srednjeg promjera pora i broja pora, može se zaključiti da se s povećanjem volumena unutar uzorka formira više pora manje veličine.
Podaci mehaničkih ispitivanja prikazani su na slikama 4A i 4D. Slika 4A prikazuje ponašanje tlačnog naprezanja i deformacije pripremljenih hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka. Rezultati pokazuju da svi uzorci imaju slično nelinearno ponašanje naprezanja i deformacije. Za svaki uzorak, naprezanje se brže povećava s povećanjem naprezanja. Eksponencijalna krivulja prilagođena je ponašanju tlačnog naprezanja i deformacije hidrogelne pjene. Slika 4B prikazuje rezultate nakon primjene eksponencijalne funkcije kao aproksimativnog modela na hidrogelnu pjenu.
Za hidrogel pjene s različitim omjerima volumena zraka, proučavan je i njihov modul kompresije (E0). Slično analizi hidrogelova, Youngov modul kompresije istražen je u rasponu od 20% početnog naprezanja. Rezultati ispitivanja kompresije prikazani su na slici 4C. Rezultati na slici 4C pokazuju da se, kako se omjer volumena zraka smanjuje od uzorka 50 do uzorka 110, Youngov modul kompresije E0 alginatne hidrogel pjene povećava s 10,86 kPa na 18 kPa.
Slično tome, dobivene su potpune krivulje naprezanja i deformacije hidrogelnih pjena, kao i vrijednosti krajnjeg tlačnog naprezanja i deformacije. Slika 4D prikazuje krajnje tlačno naprezanje i deformaciju alginatnih hidrogelnih pjena. Svaka podatkovna točka je prosjek triju rezultata ispitivanja. Rezultati pokazuju da krajnje tlačno naprezanje raste s 9,84 kPa na 17,58 kPa sa smanjenjem sadržaja plina. Krajnje naprezanje ostaje stabilno na oko 38%.
Slika 2 (A, B i C) prikazuje CT slike hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka koji odgovaraju uzorcima 50, 100 i 110. Slike pokazuju da je formirana hidrogelna pjena gotovo homogena. U uzorcima 100 i 110 uočen je mali broj praznina. Nastanak tih praznina može biti posljedica unutarnjeg naprezanja nastalog u hidrogelu tijekom procesa želiranja. Izračunali smo HU vrijednosti za 5 presjeka svakog uzorka i naveli ih u Tablici 5 zajedno s odgovarajućim teorijskim rezultatima izračuna.
Tablica 5 pokazuje da su uzorci s različitim omjerima volumena zraka postigli različite HU vrijednosti. Maksimalna p-vrijednost između skupina od 50 ml, 100 ml i 110 ml bila je 0,004 < 0,05, što ukazuje na statističku značajnost rezultata. Među tri testirana uzorka, uzorak s 50 ml smjese imao je radiološka svojstva najbliža onima ljudskih pluća. Posljednji stupac Tablice 5 je rezultat dobiven teorijskim izračunom na temelju izmjerene vrijednosti pjene \(\:\rho\:\). Usporedbom izmjerenih podataka s teorijskim rezultatima, može se utvrditi da su HU vrijednosti dobivene CT skeniranjem općenito blizu teorijskim rezultatima, što zauzvrat potvrđuje rezultate izračuna omjera volumena zraka na slici 1C.
Glavni cilj ove studije je stvaranje materijala s mehaničkim i radiološkim svojstvima usporedivim s onima ljudskih pluća. Taj je cilj postignut razvojem materijala na bazi hidrogela s prilagođenim mehaničkim i radiološkim svojstvima ekvivalentnim tkivu koja su što sličnija svojstvima ljudskih pluća. Vođene teorijskim izračunima, pripremljene su hidrogelne pjene s različitim omjerima volumena zraka mehaničkim miješanjem otopine natrijevog alginata, CaCO3, GDL-a i SLES 70. Morfološka analiza pokazala je da je nastala homogena trodimenzionalna stabilna hidrogelna pjena. Promjenom omjera volumena zraka, gustoća i poroznost pjene mogu se mijenjati po volji. S povećanjem sadržaja volumena zraka, veličina pora se lagano smanjuje, a broj pora se povećava. Provedena su ispitivanja kompresije kako bi se analizirala mehanička svojstva alginatnih hidrogelnih pjena. Rezultati su pokazali da je modul kompresije (E0) dobiven iz ispitivanja kompresije u idealnom rasponu za ljudska pluća. E0 se povećava kako se smanjuje omjer volumena zraka. Vrijednosti radioloških svojstava (HU) pripremljenih uzoraka dobivene su na temelju CT podataka uzoraka i uspoređene s rezultatima teorijskih izračuna. Rezultati su bili povoljni. Izmjerena vrijednost je također blizu HU vrijednosti ljudskih pluća. Rezultati pokazuju da je moguće stvoriti hidrogelne pjene koje imitiraju tkivo s idealnom kombinacijom mehaničkih i radioloških svojstava koja oponašaju svojstva ljudskih pluća.
Unatoč obećavajućim rezultatima, trenutne metode izrade potrebno je poboljšati kako bi se bolje kontrolirao omjer volumena zraka i poroznost te uskladio s predviđanjima teorijskih izračuna i stvarnih ljudskih pluća na globalnoj i lokalnoj razini. Trenutna studija također je ograničena na testiranje mehanike kompresije, što ograničava potencijalnu primjenu fantoma na fazu kompresije respiratornog ciklusa. Buduća istraživanja bi imala koristi od istraživanja ispitivanja vlačne čvrstoće, kao i ukupne mehaničke stabilnosti materijala, kako bi se procijenila potencijalna primjena u uvjetima dinamičkog opterećenja. Unatoč tim ograničenjima, studija označava prvi uspješan pokušaj kombiniranja radioloških i mehaničkih svojstava u jednom materijalu koji oponaša ljudska pluća.
Skupovi podataka generirani i/ili analizirani tijekom trenutne studije dostupni su od odgovarajućeg autora na razuman zahtjev. I eksperimenti i skupovi podataka su reproducibilni.
Song, G. i dr. Nove nanotehnologije i napredni materijali za radioterapiju raka. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ i dr. Izvješće Radne skupine AAPM 76a o upravljanju respiratornim pokretima u radijacijskoj onkologiji. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. i Brock, KK Modeliranje sučelja i nelinearnosti materijala u ljudskim plućima. Fizika i medicina i biologija 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. i dr. Model raka pluća sličnog tumoru generiran 3D bioprintanjem. 3. Biotehnologija. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. i dr. Modeliranje deformacije pluća: metoda koja kombinira tehnike registracije deformabilne slike i prostorno varijabilnu procjenu Youngovog modula. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF i dr. Krutost živog tkiva i njezine implikacije za tkivno inženjerstvo. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).